光伏太阳能发电在长距离输水工程中的应用

陆建华

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

光伏太阳能发电在长距离输水工程中的应用

陆建华

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

光伏太阳能发电作为清洁能源，对环境破坏小，不受输电线路制约，在道路照明、高速公路信号指示及通讯等局部小范围领域内广泛应用。为解决长距离输水线路、水库大坝照明，远距离系统控制等小容量的监视、控制、运行等的电力需求，对采用10 kV网电和采用光伏太阳能发电作为供电主电源进行比较，结果表明采用太阳能供电，一个阀室仅电源一项就减少90万元左右，具有明显的经济优势。

光伏太阳能；长距离输水；控制系统；经济分析

西方国家应用光伏太阳能发电已有几十年历史，虽没有形成大规模的光伏太阳能发电项目，但中小容量及家庭式小型光伏太阳能发电项目已很普及，对改善环境起到了非常积极的作用。以色列非常重视光伏太阳能的研发与利用，在光伏太阳能技术上不断有新的突破，特别是太阳能储存技术世界领先。日本后来者居上，产品、技术和应用都走在世界前列，不少城市的光伏太阳能使用量已占到总用电量的30%以上。我国的光伏产业发展极不平衡，尽管太阳光伏发电组件及电池的产量已经超过日本和欧洲，居世界第一位，但光伏应用市场的发展却非常缓慢，只在道路照明、高速公路信号指示及通讯等领域小范围应用。

1 长距离输水工程概况

1.1 国情状况

为满足广大人民生产、生活需要，进行水资源重新配置，建设远距离输水工程。水利工程水源及管线多在偏远山区，若采用网电供电，供电工程数量很大，采用架空线路或地埋电缆投资也很大，维护费用很高，有线路损耗、变压器损耗和设备损耗等；若采用柴油发电机组供电，要保持连续工作状态运行费用也很大，并且污染环境。

近年来兴起的光伏太阳能发电，为解决输水工程小容量的监视、控制、运行等的电力需求，提供了条件。在光伏太阳能发电产品技术及应用技术上我国与国外产品有较大差距，问题在于国内的光伏工程和市场上光伏产品的设计、安装、使用很不合理。

1.2 长距离输水工程用电负荷特点

长距离输水工程用电，除提水泵站外，用电节点数量更多的是流量调节阀、检修阀、水位信号、压力信号、流量信号、温度信号，长距离输水洞内安全监测系统的变形、位移、渗漏的信号采集，后台自动监控系统及视频系统等。

流量调节阀及检修阀为短时工作制。流量调节阀只控制水池水位在一定范围内，水位与流量之间本身就有自动调节的功能，故流量调节阀不会连续工作；对一般中小型工程而言，流量调节阀的电机功率大都在2.0～5.5 kW之间，属小型用电负荷；而检修阀只有在事故时才进行关阀工作，用电负荷也都在5.5 kW以下，属短时工作制。

水位信号、压力信号、流量信号、温度、变形、位移、渗漏等信号的采集，自动监控系统及视频系统，虽然是连续工作制，其实际用电负荷大致在1 kW以下，有的只有几十瓦。

长距离输水线路用电设备的特点是，连续用电（如摄像头、压力信号计、水位信号计及控制设备等）负荷小，短时工作设备（如调流阀调节开度、检修阀关阀等）的用电负荷多在5.5 kW以下，且用电时间很短，可采用光伏太阳能发电。

2 阀及控制系统配电设计与经济分析

方案一：管线调节阀采用农网供电可靠性较低，供水主管线上的流量调节阀一旦失电，将使整个供水工程无法正常工作，采用双电源供电为宜。采用10 kV网电做为主电源，另设柴油发电机组为备用电源。

10 kV架空线路20～30万元/km，用电线路平均3 km，每公里每年的维护费用约0.5万元。网电供电的高压变压器柜12万元，10 kV架空线路每公里市场价按25万元计，每公里架空线路每年维护费用按0.5万元计，每10年费用统计见下表1。

表1 网电投资、维护价格表

方案二：采用光伏太阳能发电作为供电主电源，选用柴油发电机组作为备用电源。

30 kW EPS光伏太阳能发电配置：

光伏组件功用，将光能转换为直流电能。最佳工作电压36.4V、电流8.52A、8串、总电压291.2 V、总功率2 480 W。

216 V DC（150A）系列光伏控制器功用，输出216 V直流电给EPS，同时给蓄电池充电。

胶体蓄电池功用，储存电能同时供电给EPS。

EPS功用，优先使用太阳能供电，光照不足或阴雨天使用蓄电池供电，蓄电池达到保护电压时，切换到备用电源。

电池柜功用，放置蓄电池。

表2 30kW的EPS配置价格表

上表为一套30 kW EPS电源价格，加上防雷、防盗等总投资约20万元；10 kW、15 kW、20 kW的EPS电源价格依次为12万、14万、16万元。30 kW的EPS电源是按5.5 kW的阀电机确定的，2.0 kW的电机选用10 kW的EPS电源就够了；每5年更换一次电池，每套增加2万元左右。

根据以上两方案分析比较，采用太阳能供电，一个阀室仅电源一项就节省90万元左右。东山供水工程和辛安泉供水工程，都设有50多个阀及近10个输水洞，采用太阳能供电，一个工程节省5 000多万元，若每个地区有4~5个东山供水这样规模的工程，一个省的水利工程投资就节约15个亿。

以上分析是基于鼠笼电机考虑，起动电流按额定电流的7倍计算；若采用绕线电机，起动电流为额定电流的3倍以下，电机造价提高30%，投资增加1 000～2 000元，而EPS电源的容量就可减小50%，造价减少40%，节省的投资会更多。

根据上述分析比较，采用太阳能供电节省投资、减少污染，利国利民，值得大力推广。

3 结语

我国水库数量巨大，水库泄洪闸门的用电负荷要比阀门大得多。大多水库多年不会泄洪，水库大坝的变压器常年空载，仅提供水库照明、枢纽控制系统用电。如果水库照明、枢纽控制系统采用光伏太阳能供电，只在汛期泄洪时，才控制变压器带电，开启闸门泄洪，避免变压器长期带电，以减少电力耗损。

人类社会进入21世纪，正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。廉价的石油时代已经结束，逐步改变能源消费结构，大力发展可再生能源，走可持续发展的道路，已逐渐成为人们的共识。太阳能光伏发电由于具有独特的优点，近年来正在飞速发展，其应用规模和领域也在不断扩大，从原来只在偏远无电地区和特殊用电场合使用，发展到城市并网系统和大型光伏电站。尽管目前太阳能光伏发电在能源结构中占比微不足道，但是随着社会的发展和技术的进步，其份额将会逐步增加。

TK323

C

1004-7042（2017）11-0028-02

陆建华（1960-），男，1982年毕业于西北工业大学自动控制系电气工程专业，高级工程师。

2017-09-08；

2017-10-16